1 四通道超聲探傷卡的總體結(jié)構(gòu)
　　四通道超聲探傷卡的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。從框圖中可以看出,，其主要由超聲發(fā)射電路" title="發(fā)射電路">發(fā)射電路、通道選擇,、放大濾波,、數(shù)據(jù)采集壓縮、卡內(nèi)微處理器,、USB接口等部分組成,。
　　四通道采用分時(shí)工作方式。四個(gè)通道分時(shí)進(jìn)行超聲發(fā)射,，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)通道選擇開(kāi)關(guān)后進(jìn)行信號(hào)放大與帶通" title="帶通">帶通濾波,，然后在FPGA的控制下進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，采集的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)實(shí)時(shí)壓縮后存入FPGA內(nèi)部的雙端口RAM中，然后由卡上的微處理器讀取數(shù)據(jù),，再次進(jìn)行數(shù)字濾波后通過(guò)USB接口向上位PC機(jī)傳送,。

2 超聲波發(fā)射電路
　　四通道超聲探傷卡所具有的四組發(fā)射電路是完全相同的，采用分時(shí)工作方式,。通常情況下,，此四路發(fā)射電路被設(shè)置為重復(fù)工作方式，其重復(fù)頻率以及探頭的激活順序由用戶根據(jù)鋼板的厚度等具體情況在微型計(jì)算機(jī)的主界面參數(shù)設(shè)置項(xiàng)中設(shè)定,，初始化時(shí)再傳入超聲探傷卡的控制系統(tǒng)中,。發(fā)射電路的激活是由FPGA來(lái)完成的，當(dāng)FPGA輸出的窄脈沖加在某一發(fā)射電路上時(shí),，該發(fā)射電路便開(kāi)始工作,。超聲發(fā)射電路主要用于產(chǎn)生高壓窄脈沖信號(hào)(400V)，此高壓窄脈沖信號(hào)加載在超聲探頭的壓電晶片上,，將電能轉(zhuǎn)換為聲能(機(jī)械能)而產(chǎn)生超聲波信號(hào),。單個(gè)通道的超聲波信號(hào)發(fā)射電路如圖2所示。ICL7667是二通道的單功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器,，可將微弱的TTL輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電壓/強(qiáng)電流輸出,，轉(zhuǎn)換速度高。該電路的工作原理為：在沒(méi)有發(fā)射脈沖時(shí),，高壓電源通過(guò)R4,、R2對(duì)C2充電，使其兩端的電壓差達(dá)到+400V,。發(fā)射脈沖到達(dá)后,，場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，C2通過(guò)Q1放電,。由于電容兩端的電壓不能突變,，使得D2的輸出端電位在瞬間約為-400V，這個(gè)負(fù)脈沖作用于超聲探頭,，使其產(chǎn)生壓電變換,，發(fā)射超聲波。

3 回波通道選擇
　　由于在同一時(shí)刻只能選用一路(也只有一路)回波信號(hào),，因而選用了MAX4141芯片來(lái)完成回波信號(hào)的選擇,。MAX4141是由MAXIM公司生產(chǎn)的一款寬頻帶(330MHz,700V/μs)、帶緩沖放大器的四選一多路分配器芯片,，它不但具有非?？斓拈_(kāi)關(guān)切換速率,而且具有高輸入、低輸出阻抗的特點(diǎn),，從而使回波信號(hào)可以充分地加載到下一級(jí)的可編程增益放大器上,?；夭ㄐ盘?hào)選通電路如圖3所示,。Siganl In0~Siganl In3分別對(duì)應(yīng)四路探頭的回波信號(hào),，Signal Out 為經(jīng)過(guò)緩沖驅(qū)動(dòng)及阻抗變換后的回波信號(hào)。單片機(jī)P0口給出的兩個(gè)信號(hào)線用于MAX4141的通道選擇,。其具體工作情況如表1所示,。

4 高頻放大電路
　　回波信號(hào)通常比較微弱，故采用高頻放大電路" title="放大電路">放大電路來(lái)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大,。由于測(cè)試的對(duì)象(鋼板厚度)不同,，所以回波信號(hào)的強(qiáng)弱也不定，因此在設(shè)計(jì)高頻放大電路時(shí),，將其設(shè)計(jì)成可以動(dòng)態(tài)控制增益值的程控放大電路,，通過(guò)MCU對(duì)其增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。在增益放大電路的設(shè)計(jì)中,，選用了可變?cè)鲆?、低噪聲運(yùn)算放大器AD603，其可實(shí)現(xiàn)dB形式的線性增益,，每伏電壓可有40dB的增益值,。增益范圍可通過(guò)對(duì)其引腳的不同連接實(shí)現(xiàn)兩種方式的選擇，即-11dB～+31dB(帶寬90MHz)和0dB～+40dB(帶寬30MHz),。在設(shè)計(jì)中,，采用兩塊AD603芯片通過(guò)二級(jí)級(jí)聯(lián)來(lái)構(gòu)成程控增益放大電路，第一級(jí)設(shè)置成-10dB～+30dB的增益范圍,，第二級(jí)設(shè)置成0dB～+40dB的增益范圍,。二級(jí)之間采用交流耦合方式，以避免前級(jí)直流電壓的漂移經(jīng)后級(jí)放大后淹沒(méi)了有用的回波信號(hào),。增益控制電壓(Gain Control Voltage)由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出來(lái)控制,。本設(shè)計(jì)中電路連接如圖4所示，電路的增益范圍為-10dB～+70dB,，對(duì)于中厚鋼板探傷,，完全可滿足設(shè)計(jì)要求。圖中VREF為D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部參考電壓放大兩倍后的輸出,，其值為2.4V,，由于AD603的電壓增益控制端對(duì)微小的電壓變化很敏感，所以在電路的設(shè)計(jì)中每一級(jí)都加上了濾波電容,，以克服干擾信號(hào)對(duì)電壓增益的影響,。
5 帶通濾波電路
　　帶通濾波電路" title="濾波電路">濾波電路是用來(lái)對(duì)回波信號(hào)放大過(guò)程中引入的噪聲進(jìn)行濾除。由于本超聲探傷卡具有四個(gè)通道,，每個(gè)通道所用超聲探頭不一定相同,，同時(shí)同一通道也可更換不同的超聲探頭,，所以只用一種濾波電路的濾波效果不會(huì)很好；又由于超聲探頭的發(fā)射頻率范圍較寬,，一般在400kHz～10MHz之間,，故在本研究中，設(shè)計(jì)了兩組帶通濾波電路,，其帶寬范圍分別為400kHz～2.5MHz和2.5MHz～10MHz,，可由單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)繼電器來(lái)選通，具體電路如圖5所示,。

6 FPGA功能設(shè)計(jì)
　　FPGA是本檢測(cè)系統(tǒng)中用作數(shù)字信號(hào)處理的核心部件,，借助其用戶可編程特性及其很高的內(nèi)部時(shí)鐘頻率，設(shè)計(jì)了專用于超聲檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理芯片,，使得整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)速度大大提高,。FPGA在本系統(tǒng)中具有非常重要的地位，一些數(shù)據(jù)信號(hào)處理都是通過(guò)它來(lái)完成的,，其內(nèi)部功能框圖如圖6所示,。從圖中可以看出，F(xiàn)PGA主要由窄脈沖產(chǎn)生采樣延時(shí)模塊,、參數(shù)寄存器模塊,、數(shù)據(jù)采集壓縮模塊、雙端口RAM模塊以及缺陷自動(dòng)判斷模塊組成,。其具體工作原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)^[3],。

7 微處理器與USB接口
　　整個(gè)板卡的工作由微處理器(MCU)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中上位PC機(jī)將控制參數(shù)傳遞給MCU,，包括延時(shí)參數(shù),、增益值、判傷DAC曲線,、濾波器選擇等,，然后由MCU將這些參數(shù)分別傳遞給FPGA、增益控制器(D/A轉(zhuǎn)換器)以實(shí)現(xiàn)板卡控制,。此外,，MCU還將對(duì)FPGA采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，以改善信噪比,。
　　MCU與上位PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送是通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)的,，設(shè)計(jì)中采用了PHILIPS公司的PDIUSBD12芯片，其性價(jià)比高,，工作穩(wěn)定可靠,，超聲回波信號(hào)最終傳入上位PC機(jī)進(jìn)行顯示及缺陷分析。
　　本文介紹了一種用于超聲無(wú)損檢測(cè)的四通道超聲探傷卡的硬件設(shè)計(jì)方法,，開(kāi)發(fā)了用于回波信號(hào)處理及缺陷自動(dòng)判斷的FPGA芯片,，大大地提高了檢測(cè)速度,。該板卡可靈活地用于構(gòu)建各種多通道超聲探傷設(shè)備。
參考文獻(xiàn)
1 Xilinx.The Programmable Logic Data Book. 1999, 2000
2 Carter. J W. Digital Designing with Programmable Logic Devices.NJ:Prentice Hall,1997
3 Li X, Dong JW, Yu XY et al. Measuring System of the Level of Oilcan Based on Balance Principle. 2nd International Symposium on Instrumentation Science and Technology,2002.8,， Jinan,，China